鋼軌刨床直流發(fā)電機(jī)組改全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的績效分析

1 前言

我公司道岔車間現(xiàn)有兩臺120KW鋼軌刨床，其電氣傳動采用的是我國上世紀(jì)六十年代流行的交磁擴(kuò)大機(jī)控制的直流發(fā)電機(jī)組傳動方案，運行三十多年來，為工廠的發(fā)展也發(fā)揮了重要的作用，但是，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，老設(shè)備的占地面積大、電能浪費嚴(yán)重、噪音大、備件不易等缺點日趨明顯。當(dāng)今大型龍門刨床成熟的直流傳動方案是采用全數(shù)字晶閘管可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，它采用微型計算機(jī)進(jìn)行控制，從而使整個電控系統(tǒng)裝置不但體積小，而且高效、節(jié)能，運行可靠性也大為提高。

2 電氣傳動系統(tǒng)改造方案

鑒于以上原因，我們在2005年8月先對其中的1#鋼軌刨床進(jìn)行了改造，新改的電氣傳動采用PLC（可編程邏輯控制器）控制的全數(shù)字晶閘管可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。電控系統(tǒng)的PLC選用日本OMRON公司的CPM2A型整體式PLC，它負(fù)責(zé)完成全數(shù)字直流調(diào)速裝置外圍的給定信號處理、機(jī)床按鈕站信號、各種限位信號和系統(tǒng)故障信號的邏輯控制與處理。全數(shù)字晶閘管可逆直流調(diào)速裝置選用英國歐陸公司的590+系列500A四象限邏輯無環(huán)流（可逆）全數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速裝置，它的內(nèi)部主電路是由兩組反并聯(lián)的三相全控晶閘管整流單元組成，兩者通過觸發(fā)脈沖邏輯互鎖構(gòu)成四象限邏輯無環(huán)流（可逆）直流調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)。它所有的控制算法都由高速16位微處理器完成，以獲得優(yōu)越的動態(tài)控制性能；自整定算法可自動計算出電流環(huán)的P、I常數(shù)及電流斷續(xù)點，使系統(tǒng)獲得最佳動態(tài)性能；其電流環(huán)的自適應(yīng)功能使系統(tǒng)變化較大時，也可獲得平穩(wěn)的速度響應(yīng)。此次改造調(diào)速系統(tǒng)采用光電編碼器構(gòu)成轉(zhuǎn)速負(fù)反饋速度閉環(huán)控制，用以提高電氣調(diào)速系統(tǒng)的速度平穩(wěn)性、擴(kuò)大系統(tǒng)調(diào)速范圍、減小轉(zhuǎn)速靜差率。

3 新舊兩種調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)對比

下面就新舊兩種調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)性能做以詳細(xì)比較。

3.1調(diào)速范圍

鋼軌刨床交磁擴(kuò)大機(jī)控制的直流發(fā)電機(jī)組拖動方式（JF—F—D）采用電壓負(fù)反饋、電流正反饋控制方式，其調(diào)速范圍D≤20。全數(shù)字晶閘管可逆直流調(diào)速拖動方式（KZ—D）采用光電編碼器做轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，其調(diào)速范圍D≤50。

3.2穩(wěn)態(tài)精度

JF—F—D系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度只能達(dá)到1%，而KZ—D系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度卻能達(dá)到0.1%（光電編碼器反饋）。

3.3 運行可靠性

JF—F—D系統(tǒng)由于調(diào)整電阻多，采用的繼電器邏輯控制方式固有連接接點多，從而造成電路虛接的故障幾率很高。JF—F—D系統(tǒng)的直流發(fā)電機(jī)、交磁擴(kuò)大機(jī)、勵磁機(jī)均有換向器和電刷，因電刷接觸不良造成的故障頗多。高速微處理器控制的KZ—D系統(tǒng)采用可編程序控制器（PLC）后，由于整個控制系統(tǒng)是適用于惡劣工業(yè)環(huán)境的工業(yè)計算機(jī)來完成所有控制算法，所以整個電控系統(tǒng)比JF—F—D系統(tǒng)大為簡化，原控制電路中的繼電器邏輯控制硬觸點代之以PLC的軟觸點，原主電路中的直流發(fā)電機(jī)組、交磁擴(kuò)大機(jī)、勵磁機(jī)、啟動電阻等代之以電路簡練的全數(shù)字晶閘管整流裝置?？刂齐娐返暮喕⒋箅娏鹘狱c的減少，必將進(jìn)一步提高鋼軌刨床電氣傳動系統(tǒng)的運行可靠性。

3.4 可維修性

JF—F—D系統(tǒng)可調(diào)電阻多，控制電機(jī)多，需調(diào)整的部位多，調(diào)試難度大，維修不易。高速微處理器控制的KZ—D系統(tǒng)采用全數(shù)字裝置，充分發(fā)揮了計算機(jī)軟件靈活的優(yōu)勢，具有完善的數(shù)字控制和保護(hù)功能；數(shù)字控制調(diào)整點少，調(diào)試參數(shù)自整定，發(fā)生故障后有準(zhǔn)確的故障信息顯示，縮短了維修時間。

3.5 效率及設(shè)備體積

JF—F—D系統(tǒng)交流異步電動機(jī)拖動的直流發(fā)電機(jī)組效率僅能達(dá)到93%左右；其電氣傳動系統(tǒng)除了電氣控制柜以外，還有占地面積達(dá)3平方米的直流發(fā)電機(jī)組、交磁擴(kuò)大機(jī)、勵磁機(jī)、啟動電阻箱等外圍設(shè)備，而且機(jī)組運行噪音大。高速微處理器控制的KZ—D電氣傳動系統(tǒng)效率高達(dá)98%以上；其全部控制裝置均安裝在原電氣控制柜內(nèi)，無其它外圍裝置，而且運行無噪音。12米鋼軌刨床改造后操作人員反映，以前擾人的機(jī)組噪音沒有了，工作環(huán)境大為改善。

3.6 節(jié)能分析及投資效益

2005年8月27日，我們分別在已改造的1#鋼軌刨床和未改造的2#鋼軌刨床上各安裝了一臺三相四線有功電度表和一臺三相四線無功電度表進(jìn)行節(jié)電數(shù)據(jù)的采集。兩臺鋼軌刨床的班次安排和所加工產(chǎn)品均接近相同。2005年9月28日，時隔一月后記錄電度表讀數(shù)。已改造的1#鋼軌刨床月耗電：有功為 43×60（電流互感器變比）=2580KW?h，無功為120×60（電流互感器變比）=7200KVar?h; 未改造的2#鋼軌刨床月耗電：有功為 98×60（電流互感器變比）=5880KW?h，無功為398×60（電流互感器變比）=23880KVar?h。

由以上數(shù)據(jù)可知，采用全數(shù)字晶閘管可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的鋼軌刨床比采用直流發(fā)電機(jī)組電氣傳動的鋼軌刨床平均月節(jié)電：有功為3300KW?h，無功為 16680KVar?h。有功節(jié)電的意義在于每年可直接節(jié)約電費：3300（KW?h/月）×12（月）×0.5（元/ KW?h）=19800（元），按此估算就改造后直接節(jié)約電費一項，此次改造的9.3萬元投資就可5年完全回收。無功節(jié)電的意義在于降低車間供電母線的線路損耗，降低車間配電變壓器的二次電流，節(jié)約的無功電流可以出讓給電網(wǎng)中新安裝的設(shè)備，從而化解了新增設(shè)備后的車間配電變壓器增容問題。由以上節(jié)電數(shù)據(jù)可以看出，鋼軌刨床改造后節(jié)約的無功遠(yuǎn)比有功大的多，無功節(jié)電給車間電網(wǎng)帶來的間接收益也是十分明顯的。

4 結(jié)束語

綜上所述，用PLC控制的全數(shù)字晶閘管可逆直流調(diào)速系統(tǒng)改造交磁擴(kuò)大機(jī)控制的直流發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)，鋼軌刨床的調(diào)速范圍、穩(wěn)態(tài)精度、調(diào)速平滑性等技術(shù)指標(biāo)均有所提高，運行可靠性有技術(shù)保證，可維修性較好，效率高而且占地面積小，無噪音運行，投資回收期短，這是一項經(jīng)濟(jì)、可行的設(shè)備節(jié)能改造方案。鋼軌刨床節(jié)能改造后，機(jī)床操作者認(rèn)為這項改造既有利于公司的節(jié)電和設(shè)備性能的提高，又有利于對操作者工作環(huán)境的改善，是一項利國利民的好事。

參考文獻(xiàn)：

EUROTHERM?590+Integrator Series DC Digital Drive Product Manual?HA466461U003?2003